Verfahren und Vorrichtung zum induktiven Randschichthärten von Werkstücken

Abstract

 Bei einem Verfahren zum induktiven Randschichthärten von Werkstücken mit beliebigen Außenformgeometrien, insbesondere von Nockenwellen für Brennkraftmaschinen, ist ein Induktor (15) vorgesehen, der das Werkstück (2 bzw. 4) wenigstens teilweise umfaßt. Das Werkstück (2 bzw. 4) führt eine gleichförmige Abwälzbewegung durch, wobei bei einem gleichbleibenden Kopplungszustand (X) die Innenkontur (18) des Induktors (15) eine Parallele zur Abwälzkontur (16) des Werkstückes (2 bzw. 4) darstellt.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum induktiven Randschichthärten von Werkstücken mit beliebigen Außenformgeometrien insbesondere von Nockenwellen von Brennkraftmaschinen, mit einem Induktor, der das Werkstück wenigstens teilweise umfaßt. Die Erfindung betrifft außerdem eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.

[0002] Beim induktiven Härten von Außenformgeometrien, die von einer Kreisform abweichen, insbesondere von unregelmäßig geformten Geometrien, wie es z.B. bei Nockenwellen der Fall ist, ergeben sich erhebliche Probleme damit, einheitliche Einhärtetiefen über den Umfang zu erreichen. Voraussetzung für eine einheitliche Einhärtetiefe ist nämlich die Einhaltung einer konstanten Erwärmungszone, d.h. eines konstanten bzw. vorgewählten Abstandes zwischen dem Induktor und der Außenformgeometrie des zu härtenden Werkstückes. Wird das Werkstück während des Härtevorganges um seine Längsachse gedreht, so ergeben sich bei einer von der Kreisform abweichenden Außenformgeometrie unterschiedliche Kopplungsabstände und damit unterschiedliche Einhärtetiefen.

[0003] Eine andere Möglichkeit zum Randschichthärten besteht darin, daß das Werkstück im Stillstand erwärmt wird, wobei der Induktor mit einer entsprechenden Negativform über das Werkstück gesetzt ist. In diesem Falle sind beide Teile, nämlich Werkstück und Induktor feststehend. Aber auch in dem Falle, in dem der Induktor die Negativform der Außenformgeometrie des Werkstückes aufweist, ergeben sich aufgrund physikalischer Gegebenheiten nicht überall gleiche Wärmebilder und damit wiederum unterschiedliche Härtezonen.

[0004] Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde ein Verfahren und eine Vorrichtung zum induktiven Randschichthärten zu schaffen, wobei beliebige Außenformgeometrien so gehärtet werden können, daß stets gleiche bzw. vorgewählte Kopplungsabstände eingehalten werden können und damit im Bedarfsfalle auch gleiche oder auch gezielte Einhärtetiefen erreicht werden können.

[0005] Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß das Werkstück eine gleichförmige Abwälzbewegung durchführt, wobei bei einem gleichbleibenden Kopplungsabstand die Innenkontur des Induktors eine Parallele zur Abwälzkontur des Werkstückes darstellt.

[0006] Durch das erfindungsgemäße Verfahren ergibt sich ein konstanter bzw. partiell genau definierter Kopplungsabstand und damit gleichmäßige Erwärmungszonen, wodurch ein homogenes Umwandlungsgefüge bei der Härtung und damit eine konstante Einhärtetiefe erreicht wird. Die konstante Erwärmungszone hat weiterhin den Vorteil, daß ein Wärmeverzug des zu härtenden Werkstückes minimal bleibt.

[0007] Praktisch stellt der Induktor eine Parallele zur Abwälzkurve der Werkstückaußenkontur dar bzw. ist diese äquvidistant zu der Werkstückkontur, wenn ein konstanter Kopplungsabstand gewünscht wird. Falls unterschiedliche Einhärtetiefen über dem Umfang gewünscht werden oder die Massenverhältnisse des Werkstückes dies für eine einheitliche Einhärtetiefe erforderlich machen, kann der Kopplungsabstand auch partiell geändert werden.

[0008] In Weiterbindung der Erfindung ist vorgesehen, daß das Werkstück im Inneren des Induktors um eine zentrale Achse D1 umläuft und sich zusätzlich noch während eines Umlaufes in einem ganzzahligen Verhältnis um eine Achse D2 um sich selbst dreht.

[0009] Durch die erfindungsgemäßen Drehbewegungen um die Drehachsen D1 und D2 ergibt sich auf einfache Weise eine gleichförmige Abwälzbewegung des Werkstückes im Induktor. Jede Oberflächenposition besitzt einen festen Bezug zu einer definierten Position am Induktor. Auf diese Weise wird auch sichergestellt, daß die Einhärtetiefe an jedem beliebigen Oberflächenpunkt des Werkstückes individuell gesteuert werden kann. Durch das erfindungsgemäße Verfahren wird gewährleistet, daß der senkrechte Abstand zur Tangente im Schnittpunkt der verlängerten Linien durch die Drehachsen D1 und D2 mit der Werkstückaußenkontur zur Innenkontur des Induktors, d.h. des Kopplungsabstandes, konstant gehalten werden kann.

[0010] In einer sehr vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung kann vorgesehen sein, daß der Kopplungsabstand durch eine Änderung des Abstandes der beiden Achsen eingestellt wird.

[0011] Durch diese Maßnahme lassen sich gezielt vorgewählte Einhärtetiefen, die auch eingehalten werden können, auswählen bzw. vorwählen.

[0012] In einer Weiterbildung der Erfindung hat dieses Verfahren auch den Vorteil, daß man bei Änderungen in der Leistung des Induktors bzw. unterschiedlichen Leistungseinspeisungen in ausgewählten Umfangsbereichen die Einhärtetiefe an gewünschten Radialpositionen getrennt beeinflussen kann. Bezogen auf das Härten einer Nockenwelle bedeutet dies, daß man z.B. im Bereich der Nocken eine größere Einhärtetiefe durch eine entsprechende Leistungssteuerung des Induktors im Bereich der Nocke erreichen kann als auf dem Grundkreis der Nockenwelle. Hierzu ist es lediglich erforderlich, daß der Induktor bezüglich seiner Leistung in dem Bereich der Umwälzkurve, in welchem diese Geometriezuordnung vorliegt, entsprechend gesteuert wird.

[0013] Eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens mit einem in einer Aufspanneinrichtung aufgenommenen Werkstück und mit einem Induktor, kann darin bestehen, daß das Werkstück in wenigstens einem um eine Drehachse drehbaren Werkstückaufnahmeglied aufgenommen ist, wobei das Werkstückaufnahmeglied selbst drehbar in einer zentralen Drehachse angeordnet ist, und wobei die Drehzahlen der sich drehenden Teile in einem feststehenden ganzzahligen Verhältnis zueinander stehen und die Innenkontur des Induktors der Abwälzkurve des Werkstückes entspricht.

[0014] Die erfindungsgemäßen beiden Drehbewegungen um die Drehachsen D1 und D2 können in einer konstruktiv einfachen Ausgestaltung durch ein Planetengetriebe verwirklicht werden.

[0015] Wenn an einem Werkstück mehrere Härtezonen vorhanden sind, die in axialer Richtung hintereinander liegen, so ist in einer Weiterbildung der Erfindung vorgesehen, daß mehrere Induktoren, die innenseitig die Abwälzform des Werkstückes aufweisen, nebeneinander entlang der Längsachse des zu härtenden Werkstückes angeordnet sind. Auf diese Weise kann im Bedarfsfalle das Werkstück in einem Arbeitsgang gehärtet werden.

[0016] Der Induktor kann aus mehreren Windungen bestehen. Dies hat den Vorteil eines besseren Wirkungsgrades. So kann z.B. die Wirkbreite damit eingestellt werden.

[0017] Nachfolgend ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnung prinzipmäßig näher beschrieben.

[0018] Es zeigt:

Fig. 1

Gesamtansicht einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zum induktiven Härten einer Nockenwelle,

Fig. 2

eine vergrößerte Darstellung der Aufspanneinrichtung mit den beiden Drehachsen,

Fig. 3

eine Prinzipdarstellung der Kontur der Nockenwelle und dessen Abwälzkontur zusammen mit der Induktorkontur.

[0019] Auf einer Werkzeugmaschine 1 ist eine Nockenwelle 2 an beiden Stirnseiten jeweils in einer Aufspanneinrichtung 3 aufgenommen. Die Nockenwelle 2 weist in bekannter Weise koaxial zu ihrer Längsachse 5 angeordnete kreisförmige Abschnitte und von der Kreisform abweichende Nocken 4 auf. Die Nockenwelle 2 ist in den beiden Aufspanneinrichtungen 3 derart aufgenommen, daß dessen Längsachse 5 koaxial zu einer Drehachse D2 liegt. Um die Drehachse D2 rotiert ein Werkstückaufnahmeglied 6, das stirnseitig mit der Nockenwelle 2 verbunden ist. Am hinteren Ende des Werkstückaufspanngliedes 6 ist ein Zahnrad 7 angeordnet, das mit einem Hohlzahnrad 8 in Zahneingriff steht. Das Werkstückaufspannglied 6 selbst ist über Wälzlager 9 in einen Zentralblock 10 aufgenommen, der sich um eine Drehachse D1 dreht. Der Zentralblock 10 wird über einen Riemen- oder Kettenantrieb 11 in nicht näher dargestellter Weise durch einen Motor 12 angetrieben. Durch eine Wellenverbindung 13 ist dafür gesorgt, daß die beiden Aufspanneinrichtungen 3, die identisch ausgebildet sind, drehzahlsynchron angetrieben werden. Der Zentralblock 10 ist über Wälzlager 14 im Gehäuse der Aufspanneinrichtung 3 gelagert.

[0020] Ein in der Fig. 1 schematisch dargestellter Induktor 15 umgibt die zu härtenden Bereiche der Nockenwelle 2.

[0021] Aufgrund der Einspannung der Nockenwelle 2 und der Rotation um die Drehachsen D1 und D2 und deren Zuordnung zueinander ergibt sich eine Abwälzkontur der Nockenwelle 2.

[0022] Aus der Fig. 3 ergibt sich die entsprechende geometrische Zuordnung, die am Beispiel einer Nocke 4 der Nockenwelle 2 dargestellt ist. Wie ersichtlich liegt ein Abstand B zwischen der Drehachse D1 und der Drehachse D2 vor. Bei der Drehung der Nockenwelle 2 bewegt sich deren Außenformgeometrie entlang ihrer durch die Getriebeabhängigkeit der Aufspanneinrichtung 3 vorgegebene Abwälzkurve 16. Mit "17" ist die Kontur des Nockens 4 dargestellt. Wie ersichtlich sind dabei zur Erläuterung drei verschiedene Positionen des Nockens 4 in die Fig. 3 eingezeichnet, um die Abwälzbewegung zu verdeutlichen. Aufgrund der durch die Getriebeabhängigkeit entstehenden Abwälzkurve 16 wird gewährleistet, daß der senkrechte Abstand zur Tangente im Schnittpunkt der verlängerten Linie durch die Drehachsen D1 und D2 mit der Kontur der Nockenwelle bzw. des Nockens 4 zu der entsprechend vorgewählten Innenkontur 18 des Induktors 15 konstant bleibt. Dies ist der Kopplungsabstand X. Die Innenkontur 18 des Induktors 15 stellt eine Parallele zur Abwälzkurve 16 des Nockens 4 dar bzw. die Innenkontur 18 ist äquvidistant zur Abwälzkurve 16.

[0023] Durch diese geometrisch fest zugeordnete Drehbewegung der Nockenwelle 2 innerhalb des Induktors 15 bei einer konstanten Drehzahl für die Drehachse D2 und der daraus resultierenden eine entsprechende Abhängigkeit besitzenden Drehzahl der Drehachse D1 ergibt sich eine gleichförmige Abwälzbewegung der Nockenwelle 2 im Inneren des Induktorfreiraumes. Jede Oberflächenposition besitzt einen festen Bezug zu einer definierten Position am Induktor 15. Auf diese Weise läßt sich auch sicherstellen, daß die Einhärtetiefe an jedem beliebigen Oberflächenpunkt des Nockens 4 individuell gesteuert werden kann.

[0024] Eine individuelle Steuerung ist z.B. dadurch möglich, daß in einem gewünschten Umfangsbereich die Leistung des Induktors 15 und damit die Einhärtetiefe geändert wird. Auf diese Weise läßt sich z.B. eine größere Einhärtetiefe des Nockens 4 im Bereich seiner Erhöhung als in seinem Grundkreis erreichen. Das gleiche Ergebnis kann auch durch eine partielle Veränderung des Kopplungsabstandes erreicht werden.

[0025] Durch eine Änderung des Abstandes B der beiden Drehachsen D1 und D2 ändert sich damit auch der Kopplungsabstand X, d.h. der Abstand der Abwälzkurve 16 von der Innenkontur 18 des Induktors 15, womit durch diese Veränderung auch die Einhärtetiefe gesteuert werden kann.

[0026] Selbstverständlich können im Rahmen der Erfindung auch mehrere Induktoren 15 axial nebeneinander an der zu härtenden Nockenwelle 2 im Bereich der Stellen, die gehärtet werden sollen, vorgesehen werden, sofern man nicht nach durchgeführter Härtung den Induktor 15 jeweils entsprechend axial verschieben möchte.

[0027] Eine Änderung des Abstandes B kann konstruktiv auf verschiedene Weise erreicht werden. Hierzu kann z.B. ein Axialausgleichsgetriebe, ein Kardangelenk, ein Kreuzgelenk oder ähnliches vorgesehen sein.

[0028] Anstelle der Erzeugung einer Abwälzkurve für die Nockenwelle durch das dargestellte Getriebe mit den Drehachsen D1 und D2 kann die Abwälzkurve auch auf andere Weise erreicht werden. So kann z.B. eine Spindel, entsprechend dem Zentralblock 10 koaxial angetrieben werden, oder die Einspannpunkte der Nockenwelle 2 werden in Abhängigkeit von der Rotation durch die Spindel numerisch in x- und y-Ebene verstellt. Dies kann z.B. durch einen Kreuzschlitten erfolgen. Im Bedarfsfalle kann z.B. auch das im Gehäuse angeordnete Hohlrad 8 durch eine Verstelleinrichtung in Umfangsrichtung, z.B. um 120°, verstellt werden, um einen Winkelversatz der Nockenpakete auf der Nockenwelle ausgleichen zu können. Auf diese Weise kann man z.B. mit einer Induktionshärteeinrichtung die Nocken eines Zylinders und anschließend nach einem Versetzen des Hohlzahnrades um z.B. 120° die Nocken des nächsten Zylinders härten. Durch die Verdrehung des Hohlzahnrades 8 läßt sich auf diese Weise ein Zündfolgeversatz berücksichtigen.

[0029] Anstelle einer Abwälzkurve 16 für die Nockenwelle bzw. die Nocken 4 der Nockenwelle in Form einer geschlossenen Kurve kann man die Kontur der Nockenwelle 2 auch horizontal abwälzen. Dabei wird die Nockenwelle 2 um sich selbst gedreht. Um die horizontale Abwälzkurve zu ergeben wird dabei die Nockenwelle mit einem Ritzel verbunden, das mit einer Zahnstange entsprechend zusammenarbeitet. Durch die Drehbewegung des Ritzels in Verbindung mit der Zahnstange ergibt sich der Vorschub der Nockenwelle 2 in horizontaler Richtung und zwar quer zur Längsachse der Nockenwelle 2. Auf diese Weise ergibt sich wiederum eine Abwicklung der Nockenwelle 2, der die Innenkontur des Induktors mit konstantem Kopplungsabstand gegenüberliegt.

[0030] Das Härten der Nockenwelle 2 auf der Werkzeugmaschine 1 kann z.B. bei einer Antriebsdrehzahl von 120 U/min des Motores 12 erfolgen, womit das Werkstückaufnahmeglied und damit die Nockenwelle 2 bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel mit 240 U/min umläuft. Die Härtung kann dabei z.B. innerhalb 20 Sekunden erfolgen, wobei während der Rotation der Nockenwelle 2 entsprechend pro Umlauf bei vorgegebenem Kopplungsabstand jeweils eine Erwärmung eines Nockenwellenbereiches erfolgt. Nach 20 Sekunden und damit nach Erreichen der gewünschten Härtetemperatur erfolgt in bekannter Weise eine Abschreckung der Nockenwelle. Selbstverständlich richtet sich die Drehzahl nach dem Anwendungsfall und kann entsprechend variiert werden. Gleiches gilt für die Erwärmungszeit.

Ansprüche

1. Verfahren zum induktiven Randschichthärten von Werkstücken mit beliebigen Außenformgeometrien, insbesondere von Nockenwellen von Brennkraftmaschinen, mit einem Induktor, der das Werkstück wenigstens teilweise umfaßt,
dadurch gekennzeichnet, daß das Werkstück (2 bzw. 4) eine gleichförmige Abwälzbewegung durchführt, wobei bei einem gleichbleibenden Kopplungsabstand (X) die Innenkontur (18) des Induktors (15) eine Parallele zur Abwälzkontur (16) des Werkstückes (2 bzw. 4) darstellt.

2. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß das Werkstück (2 bzw. 4) im Inneren des Induktors (15) um eine zentrale Achse (D1) umläuft und sich zusätzlich noch während eines Umlaufes in einem ganzzahligen Übersetzungsverhältnis um eine Achse (D2) um sich selbst dreht.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, daß der Kopplungsabstand (X) durch eine Änderung des Abstandes (B) der beiden Achsen (D1,D2) eingestellt wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet, daß die Leistung des Induktors (15) während des Umlaufes des Werkstückes (2 bzw. 4) verändert wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
dadurch gekennzeichnet, daß der Kopplungsabstand an beliebigen Stellen zum Werkstück (2 bzw. 4) eingestellt werden kann.

6. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 5 mit einem in einer Aufspanneinrichtung aufgenommenen Werkstück und mit einem Induktor,
dadurch gekennzeichnet, daß das Werkstück (2 bzw. 4) in wenigstens einem um eine Drehachse (D2) drehbaren Werkstückaufnahmeglied (6) aufgenommen ist, wobei das Werkstückaufnahmeglied (6) selbst drehbar um eine zentrale Drehachse (D1) ist, daß die Drehzahlen der sich drehenden Teile in einem feststehenden Verhältnis zueinander stehen, und daß die Innenkontur (18) des Induktors (15) der Abwälzkontur (17) des Werkstückes (2 bzw. 4) entspricht.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6,
dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Drehachsen (D1,D2) Teile eines Planetengetriebes sind.

8. Vorrichtung nach Anspruch 6 oder 7,
dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Induktoren (15), die innenseitig die Abwälzkontur (17) des Werkstückes (2 bzw. 4) aufweisen, nebeneinander entlang der Längsachse (5) des zu härtenden Werkstückes (2 bzw. 4) angeordnet sind.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 8,
dadurch gekennzeichnet, daß der Induktor (15) aus mehreren Windungen besteht.

Zeichnung